39 死锁

死锁

概念

死锁是指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源，但因互相申请被其他进程所占用不会释放的资源而处于的一种永久等待状态

四个必要条件

互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用
请求与保持：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得资源保持不放
不剥夺条件：一个执行流已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺
循环等待条件：若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系，a的执行需要申请b的不释放资源，b的执行需要a的不释放资源

避免死锁

破坏死锁的四个必要条件。第一个互斥条件需要重写逻辑结构，比较困难。二和三都有对应的函数，请求与保持在加锁的时候是阻塞等待，有一个函数加锁是非阻塞等待的
加锁顺序一致
避免锁未释放的场景
资源一次性分配。资源不要分好几次给，一次性给完。就等减少死锁的可能

算法

避免死锁算法
银行家算法

线程同步

概念

上一节的买票程序，会出现只有一个线程经常抢到票。根本原因是线程对锁的竞争能力不同，拥有锁的线程在使用完后又会立即拿到锁，重新买票，导致其他线程都阻塞在加锁函数里。
这种情况的解决办法就是让阻塞的线程都排好队，新到的线程排到队列的最后面，按顺序获得锁。拥有锁的线程在使用完后不要立马去申请，而是自动排到队列最后面

同步：保证数据安全的情况下，让线程访问资源具有一定的顺序性

保证同步的一种方法就是条件变量

条件变量

概念

当一个线程互斥的访问某个变量时，它可能发现在其他线程改变状态前，神恶魔也做不了
例如一个线程访问队列时，发现队列为空，只能等待，直到其他线程将一个节点添加到队列中，这种情况就需要用到条件变量
在这里插入图片描述

当线程申请锁失败就到这个队列里排着，这样队列里就有一堆按顺序排的线程，新的线程也按这个过程。当拥有锁的线程使用完归还锁后，先敲一下铃铛，然后排到队列最后。铃铛被敲后唤醒队列中的线程申请使用锁。这个铃铛这部分就是条件变量。根据上面情形，条件变量必须依赖于锁的使用。os对这两个锁和条件变量结构也需要维护

为什么需要互斥量

条件等待是线程间同步的一种手段，如果只有一个线程，条件不满足，一直等下去都不会满足，所以必须要有一个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足，并且友好的通知等待在条件变量上的线程
条件不会无缘无故的突然满足，必然牵扯到共享数据的变化。所以一定要用互斥锁来保护，没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据

在这里插入图片描述
由于解锁和等待不是原子的，调用解锁之后，wait之前，如果已经有其他线程获取到互斥量，掘弃条件满足，发送了信号，那么wait将错过这个信号，可能导致线程永远阻塞在wait，所以解锁和等待必须是原子操作

wait进入函数后，回去查看条件变量等于0吗，等于就把互斥量变为1，直到wait返回，把条件变量改为1，把互斥量恢复为原样

条件变量使用规范

等待条件代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）
pthread_cond_wait(cond, mutex);
修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex);

给条件发送信号代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

同步概念和竞态条件

同步：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫同步
竞态条件：因为时序问题，导致程序异常，称之为竞态条件

条件变量初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
参数：
cond：要初始化的条件变量
attr：NULL

在这里插入图片描述

销毁

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

等待条件满足

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
参数：
cond：要在这个条件变量上等待
mutex：互斥量，后面详细解释

唤醒

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //全部
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); //一个

条件变量和锁的使用类似，都可以局部和全局定义，全局则不需要初始化和销毁

案例

五个线程对cnt变量加加，用锁和条件变量保证线程安全和顺序性

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

int cnt = 0;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void *count(void *num)
{
    uint64_t i = (uint64_t)num;
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        pthread_cond_wait(&cond, &lock);
        printf("线程 %d cnt:%d\n", i, cnt++);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

int main()
{
    //64位整形，强转指针
    for (uint64_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        pthread_t tid;
        //不能取i的地址传入,线程里访问的和这里的i会是同一个变量,
        //一个修改,另一个读取错误
        pthread_create(&tid, nullptr, count, (void*)i);
        //usleep(13);
    }

    sleep(3);
    while (true)
    {
        //pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_cond_broadcast(&cond);
        printf("唤醒\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}